Физика, биология, химия: о возможности привлечь школьников к проектной деятельности рассказали в МАН «Интеллект будущего»

Об актуальной возможности реализации в школе проектной деятельности учителями естественно-научных предметов рассказал Борис Логинов, ученый НИУ «МИЭТ», в рамках своего доклада «Нанотехнологии и формирование естественно-научной картины мира» на педагогическом форуме. Мероприятие состоялось на 40-й конференции «Юность, наука, культура», где свой юбилей отметила Малая академия наук «Интеллект будущего».

Борис Альбертович является ученым, руководителем научной лаборатории НИУ МИЭТ, конструктором, руководителем отдела приборостроения завода «Протон» (Зеленоград), а также автором и преподавателем учебных курсов и образовательных программ 2008 – 2025 по нано для школьников, студентов и педагогов. Он уже более 35 лет работает в зондовой микроскопии, со школьниками занимается в образовательном центре Сириус с самого начала его образования. Он напомнил, что используемые уже почти два столетия оптические микроскопы позволяют учащимся получать знания об окружающем мире – до уровня бактерий, а недавно открытый новый вид зондовой микроскопии предоставляет еще более глубокие возможности.

О возможностях зондовой микроскопии

Если объекты размером до уровня одного микрометра, изучаемые в оптические микроскопы, кардинально не отличаются массами от обычных бытовых предметов, и их физические закономерности не сильно разнятся, то зондовый микроскоп позволяет увидеть существенно отличающиеся от обычных представлений объекты наномира. «Объектам в наномире, например, несущественна гравитация, так как у них малые массы. Возникает, таким образом, «невесомость», как в космосе. И наиболее существенными силами в наномире являются силы притяжения или отталкивания объектов, электростатические или магнитные силы, или же силы Ван-дер-Ваальса. При этом возникают фантастические картины наномира, которые хочется увидеть и познать.

«Объекты размером около одного микрона, меньше которых мы раньше не видели в оптический микроскоп, на самом деле состоят из сложной структуры в десятки триллионов атомов, и эта микро-вселенная становится доступной с помощью зондовой микроскопии, которая, как и все новое, прошла три стадии: «это невозможно», «в этом что-то есть» и «это очевидно». Раньше казалось невозможным, что в микроскоп размером меньше оптического можно увидеть структуру объекта вплоть до отдельных атомов. А сейчас это рутина, и фокус только в том, что ощупывающая объект игла зондового микроскопа супер-острая, буквально в один атом на конце», – пояснил ученый.

Нобелевская премия за зондовые микроскопы была вручена за возможность видеть атомы, причем прямо на воздухе, без вакуумирования. Ученые обнаружили, что если к острой игле еще и приложить небольшое напряжение всего от одной батарейки, то с иглы на образец начинают перескакивать электроны даже до того, как игла коснется образца. Причем эти электроны фокусируются в точку в сотню раз меньшую, чем атом – и не просто видят атом, а «ощупывают» его форму. Теоретики до сих пор изучают этот процесс – но он работает, и желание увидеть атомы «своими глазами» мотивирует школьников к исследовательской деятельности.

О принципе обучения работе с зондовым микроскопом

Как рассказал Борис Логинов, для того чтобы обучение работе с такими микроскопами дошло до стадии готовности ученика легко применять такой микроскоп в исследовательских проектах, и быть востребованным на рынке труда, обучение строится на принципе «ЗНАТЬ – УМЕТЬ – ВЛАДЕТЬ». На первом уровне «ЗНАТЬ» ученик просто знакомится с микроскопом, его конструкцией, принципом работы, и даже «играется» его кадрами, измеряя размер объектов на них и даже, например, собирая из них пазлы. Для освоения второго уровня «УМЕТЬ» он уже учится собирать микроскоп и пользоваться им, осваивает программу управления, ошибается, ломает иглы, сам затачивает их и так далее. В итоге сам делает своих несколько кадров в этом микроскопе и сдает экзамен, на котором за один час собирает микроскоп, делает кадр и вычисляет размеры объектов на нем.  На третьем уровне «ВЛАДЕТЬ» он выполняет одно из множества предлагаемых ему «микроисследований», где микроскоп просто служит инструментом. Например, осваивает вакуумное напыление металла на стекло и добивается, чтобы напыленная пленочка была равномерной, имела определенное электрическое сопротивление. Для этого ему требуется много раз ее напылить, посмотреть в микроскоп, скорректировать мощность или температуру распылителя, снова проверить результат в микроскоп и так далее, что требует порой до десятка итераций, прежде чем получится необходимый результат, а это и есть опыт исследований.

После каждого уровня учащимся предлагается ответить более чем на сто вопросов, построенных по принципу выбора одного из нескольких ответов на каждый вопрос – для объективности оценки успеваемости. Это дает отличную метрику и возможность оценки эффективности того или иного педагогического приема. Оказалось, например, что обычное собирание пазлов с изображением атомов различных химических элементов у ребят и пользуется популярностью, и увеличивает успеваемость в разделе строения вещества почти на 50 %. Повышает успеваемость также возможность использования кадров наномира как карт местности для игры в Майнкрафт прямо на уроке – ученики таким образом как бы живут в наномире. Эффективно также, если ученики сами распечатывают рельефы наномира на 3D-принтере в макромасштабе и трогают их, могут даже «погладить» каждый атом. Очень эффективно дать школьнику разобрать «до последнего винтика» и потом собрать микроскоп, это дает полное его понимание.

Для того, чтобы обучать школьников, педагогу самому необходимо освоить работу с зондовым микроскопом, хотя бы до уровня «уметь». Отработан вариативный по объему часов единый курс, начальные уроки которого – это уровень «знать», далее следуют уровень повышения квалификации и уровень «уметь». И только на 17-м уроке достигается уровень «владеть». Значимым плюсом этого курса обучения является разработанная схема доведения учащегося до уровня «уметь» и проведения для этого научно-исследовательской деятельности в школе без особых требований к квалификации педагога, что является дефицитом. Это может существенно расширить проектную работу в школах.

О возможностях проектной и исследовательской деятельности школьников с использованием зондового микроскопа

Очень эффективным педагогическим приемом в разработанном Борисом Логиновым учебном курсе является прием, позволяющий школьнику вовлечься в настоящий длительный исследовательский проект. В итоге учащийся получает в руки признанный в мире научный журнал со статьей, где он указан в соавторах. Происходит, как это называет Борис Альбертович, «взрывная профориентация»: школьник вдруг решает ориентировать свою жизнь на научное поприще, начинает целенаправленно поглощать для этого знания из всех источников информации, сдает ЕГЭ с превышениями 100 баллов. Благодаря своему достижению – соавторству в настоящей научной публикации – школьник получает преференции при поступлении во многие вузы, и это значительно расширяет его возможности.

Схема для выполнения данного педагогического приема не сложна. Она отточена на отечественных микроскопах марки СММ-2000, прошедших Государственные испытания и внесенных в Государственный реестр средств измерений России, что придает уверенность в правильности результатов с них. Достаточно школе заиметь эти зондовые микроскопы, а учителю пройти повышение квалификации и провести со школьниками учебный курс, с выполнением в его конце какого-то очень простого исследования «школьного» уровня – например, сравнить в микроскопе размеры зерен в структуре двух видов фарфора по осколкам (это могут быть чашки, к примеру). После чего нужно создать страничку на сайте школы и заявить в соцсетях всему миру, что школа принимает от ученых образцы на бесплатное исследование на зондовых микроскопах, которых – надо пользоваться случаем – нет еще у большинства, у миллионов ученых мира!

Ученым это интересно, они присылают образцы, а также передают школьнику «искру» своего научного интереса, побуждая его найти на этих образцах то, что интересно современной науке. В итоге школа получает передовой научный проект учащегося, с настоящей научной публикацией его результатов. Публикацию ученые обязательно делают сами, указывая соавторство школьника.

«При этом учителю не надо придумывать проект, он идет от ученого, и ученый отвечает за его новизну и актуальность. Учитель лишь должен обеспечить взаимодействие ученого со школьником, и обеспечить возможность школьника работать за микроскопом», – отмечает Борис Альбертович.

Предлагаемая схема, по словам Бориса Логинова, является рабочей и вполне применимой для установки в школе любого современного и пока дефицитного в среде ученых прибора, не только зондового микроскопа. В настоящее время зондовые микроскопы СММ-2000 в рамках особой программы получают региональные центры «Сириуса». Но, как показала практика, и общеобразовательным школам вполне доступны эти полностью отечественные микроскопы, даже за счет внебюджетных средств, тем более с учетом грантовых программ.

Уникальное применение зондовой микроскопии

Линия отечественных микроскопов СММ-2000 примечательна тем, что никакие другие зондовые микроскопы не могут работать в таких сложных условиях. Это и условия радиации в атомных реакторах, и солнечные температуры в термоядерных установках ТОКАМАК, и открытый космос, а также пытливые руки школьников, много раз для лучшего понимания полностью разбирающие и собирающие микроскопы. В павильоне Атом на ВДНХ показаны эти аппараты. Нигде в мире не достигли таких возможностей. Для школьников особенно важно, что, например, освоив учебный курс на обычных, «земных» версиях микроскопа СММ-2000, они могут быть допущены к участию в программе экспериментов, выполняющихся на летающем космическом микроскопе СММ-2000, а там много интересного.

Измерив и описав очередной попавший в рассмотрение этого микроскопа микрометеорит можно назвать любым именем, в том числе именем своей школы. Обнаружить облако опасной наноразмерной пыли в космосе – это тоже важно, так можно предотвратить порчу космических кораблей. Число новых данных, получаемых в этом космическом микроскопе, настолько велико, что для его анализа приглашаются все исследователи мира, и все понимающие зондовую микроскопию школьники в том числе. По словам Бориса Логинова, эти новые данные в настоящее время заинтересовали и зарубежных коллег, и Европейское космическое агентство, и представителей Китая, чтобы определять, например, какими материалами надежнее покрывать космические корабли. Ведь на кадрах космического микроскопа впервые в мире непосредственно в космосе мы начинаем видеть, как разрушаются поверхности корпусов, иллюминаторов, солнечных батарей и других элементов космических кораблей от солнечного ветра.

Более того, с выводом в космос зондового микроскопа СММ-2000 Орловским университетом вывести в космос новые особые версии таких микроскопов для специальных экспериментов могут и другие – как вузы, так и школы. Микроскопов в космосе нужно много, хотя бы потому что они постепенно за два-три года падают и сгорают в атмосфере, и следить за ситуацией, за экологией в космосе необходимо новыми микроскопами.

Ранее «Учительская Россия» рассказывала о 40-летнем юбилее Малой академии наук «Интеллект будущего».